鄂尔多斯块体东北缘地区震源机制和应力场特征研究

包金哲 王树波 郝美仙 韩晓明 张 晖 尹战军 杨彦明

（中国呼和浩特010010 内蒙古自治区地震局）

0 引言

鄂尔多斯东北缘地区（38.5°—42.0°N，109.5°—116.0°E）即晋冀蒙交界地区，该区域地质条件复杂，地震多发，如1976 年4 月6 日内蒙古和林格尔MS6.3、1996 年5 月3 日内蒙古包头西郊地区MS6.4、1998 年1 月10 日河北张北MS6.2 地震。该区域的地震活动引起了一些研究者的关注（王化宇等，2006；高立新等，2012；武敏捷等，2014）。

利用地震震源机制研究地球构造应力场是相对科学可靠的，但研究结果仅给出应力的方向，据此不能判断应力的大小。一些研究者利用此方法对鄂尔多斯块体东北缘地区进行研究，盛书中（2015）利用P 波初动方法获得震源机制解，认为河套断陷带、岱海断陷带、山西断陷带区域的震源机制以正断为主。震源机制解节面走向与断裂走向一致，与鄂尔多斯块体现今的拉张状态一致；郭祥云等（2017）利用P 波初动和振幅比反演的HASH 方法获得震源机制解，认为块体北缘地区最大水平主应力优势方位为NE 向；李祥（2016）研究认为，鄂尔多斯块体东北缘地区震源机制以正断层为主，主要节面走向大体呈NE 和NNE，与控制断陷带边界断裂走向一致，山西断陷带与张家口—渤海地震带交汇处的怀安、阳原、阳高等盆地震源机制以走滑为主，兼有少量正断型，延怀盆地主要以正断为主。

本文利用FOCMEC 方法计算得到研究区域的震源机制解，利用阻尼区域应力场反演MSATSI 方法（Martínez-Garzón et al，2014）反演得到研究区域的应力场，并初步分析了鄂尔多斯块体东北缘区域应力场特征。

1 研究区域构造背景

鄂尔多斯块体东北缘地区地质构造复杂，主要有2 大断陷带，即北部河套断陷带和东部山西断陷带，2 大断陷带之间有岱海断陷带。二级块体主要包括鄂尔多斯块体东北部、华北块体西北部。河套断陷带位于鄂尔多斯块体北部，东界为和林格尔断裂，西界为狼山山前断裂，南界为鄂尔多斯块体北缘断裂，北界为阴山（色尔腾、乌拉山、大青山）山前断裂，总体走向EW 向（邓起东等，1985；范俊喜等，2003）。河套断陷带是研究区域最大断陷带，由呼包、白彦花、临河等3 个次级盆地组成。山西断陷带位于鄂尔多斯块体东部，由十几个大小不等的NE 向、NEE 向的地堑或半地堑式右行排列组成，总体走向NNE 向，在平面上呈“S”形。研究区东南部的口泉断裂、六棱山北麓断裂、五台山北麓断裂等总体走向NE 向。岱海断陷带、蛮汗山山前断裂带、鞍子山山前断裂带和岱海—黄旗海南缘断裂带，总体走向NEE 向（国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1988）。

图1 研究区域地质构造Fig.1 Geological structure of the study region

2 震源机制解

收集整理了鄂尔多斯块体东北缘地区2008 年1 月至2018 年4 月共144 条ML≥2.5天然地震数据，数据由内蒙古自治区地震监测中心、国家测震台网中心提供。

利用垂直向SV 波与P 波的振幅比，并结合台站的初动测定震源机制的方法，在模拟地震观测时期应用较广泛（Kisslinger et al，1981；梁尚鸿等，1984）。Snoke 等（1984）提出了利用P波、SV波、SH 波的初动和振幅比联合求解震源机制的方法，并提供了计算程序（FOCMEC程序）。双力偶震源远场P 波、SV 波、SH 波在震源坐标系r-θ-φ 的位移表达式为

其中，ρ 为岩石密度；vP、vS分别为P 波、S 波速度；r 为发生位移的点到震源的距离；t 为时间；为双力偶中1 个力偶强度随时间的微熵。FOCMEC 计算程序所用参量为3 个初动（P、SV、SH）和3 个振幅比（SV/P、SH/P、SV/SH），这样每个台站记录所用的独立分量就从传统的1 个P 波初动增加到5 个（振幅比仅有2 个独立分量）。通过比较理论计算和实际观测所得P、SV、SH 波的初动符号和振幅比矛盾数最小的方式得到震源机制解，提高了反演结果的精度。

利用FOCMEC 程序获得研究区域2008 年1 月至2018 年4 月共计144 条ML≥2.5地震震源机制解，参考判断震源机制类型的国际标准（Zoback，1992），根据震源机制解3 个应力轴（P、T、B）的不同倾角（pl）进行划分，得到震源机制解的6 种类型：正断类型（NF）、正走滑类型（NS）、走滑类型（SS）、逆走滑类型（TS）、逆正断类型（TF）、不确定类型（U）。震源机制解类型见表1。

表1 震源机制解类型Table 1 Categories of tectonic stress regime for focal mechanism

表2 为研究区域地震震源机制的6 种类型。由表2 可见，正断类型占37.5%，正走滑类型占13.9%，走滑类型占28.8%，逆正断类型占8.3%，逆走滑类型占4.9%，不确定类型占6.9%。结果表明，鄂尔多斯块体东北缘地区震源机制以正断和走滑为主。震源机制解空间分布见图2。

表2 研究区内震源机制解分类Table 2 Classification of focal mechanism solutions in the research area

图2 震源机制解空间分布Fig.2 Spatial distribution of focal mechanism solutions

3 应力场研究结果

3.1 阻尼系数的确定

在应力场反演中，Hardebeck 等（2006）研究认为，通过增加阻尼约束，能够更好地优化结果。因此，利用MSATSI 软件，设定一系列阻尼值（图3），得到应力场反演模型长度和数据拟合误差曲线，通过反复比对调试，找到误差曲线的拐点，即为最佳阻尼系数。由图3 可以看出，折中曲线在e ≈1.2 附近，这意味着低于该相对权重值时，提高模型复杂程度对反演误差的改善几乎没有作用，而提高相对权重值时，随着模型的简化，反演误差会急剧增加。因此，在反演过程中选择相对权重系数e ≈ 1.2。

图3 模型长度—数据拟合误差Fig.3 Model length-data fitting residual curve

3.2 鄂尔多斯块体东北缘区域应力场

利用MSATSI 方法（Martínez-Garzón et al，2014）反演得到研究区域的应力场，应力场反演结果见图4。由图4 可知，P 轴整体方位NE 向，T 轴整体方位NW 向，中间应力轴方位NE 向，由图4 还可知，P 轴与断层节面走向方向一致，尤其在山西断陷带东北部地区，存在较一致的NE 向。该地区位于和林尔断裂以东，孙庄子乌龙沟断裂以西，内部主要断裂有天镇—阳高盆地北缘断裂、口泉断裂、六棱山北麓断裂、恒山北麓断裂等。此外，T 轴方位与断层节面走向垂直，一致性较好。综上所述可得鄂尔多斯块体东北缘地区震源机制解主要是正断、走滑类型，最大主应力方向为NE 向。青藏高原块体在NE—NEE 向挤压作用及太平洋板块在W 向的俯冲作用（邓起东等，1999，2014），造成鄂尔多斯块体东北缘地区主要应力方向为NE 向，此方向与断层节面整体走向的NE 向一致（图1）。

图4 应力场反演结果圆圈反映各个反演格点的3 个应力轴伍尔夫投影情况；红色线（P 轴）表示最小主应力轴；绿色表示中间主应力轴；蓝色线（T 轴）表示最大主应力轴Fig.4 Stress field inversion results

将研究区域划分成1°×1°的网格进行反演，使用MSATSI 算法获得20 个格点的应力参数，应力张量是一个对称的二阶张量，但在断层面上的剪应力方向只依赖4 个变量，即3 个主应力轴方向和1 个应力值R。R 值为描述主应力相对大小的物理量，是所求应力主轴方向可靠性的一种参考值，其值为0—1，计算公式为

其中，σ1为最大主应力；σ2为中间主应力；σ3为最小主应力。当R 值大于0.5 且接近于1时，所求研究区域内最大主压应力轴方向可信度较高，而最大主张应力轴方向可信度较低；当R 值小于0.5 时，最大主张应力轴方向可信度较高，而最大主压应力轴方向可信度较低。图5 为应力场反演结果。由图5 可见，在20 个R 值的网格参考值中，R 值图标整体以蓝色的居多，局部有红色的，说明应力场整体以张性为主，局部地区存在压性。达拉特旗以北、达尔汗茂明联合旗以南地区存在压性。

图5 相对应力R 值空间分布Fig.5 Spatial distribution of relative stress R-value

4 结论

利用FOCMEC 方法计算出2008 年1 月—2018 年4 月鄂尔多斯块体东北缘地区共144 条ML≥2.5 地震震源机制解，将研究区划分为1°×1°的地壳应力场，利用MSATSI 算法，反演获得研究区应力场等特征：①鄂尔多斯块体东北缘地区应力状态以拉张为主，研究区最大水平主应力方向为NE 向；②山西断陷带区域以正断类型为主，存在较一致的NE 向应力状态。